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[en] GEOMECHANICAL ANALYSIS OF THE DRILLING AND CASING OF SALT WELLS / [pt] ANÁLISE GEOMECÂNICA NA PERFURAÇÃO E CIMENTAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO EM ZONAS DE SALFREDDY ERNESTO MACKAY ESPINDOLA 19 June 2013 (has links)
[pt] Nesta tese foi estabelecido um procedimento para análise do processo de
perfuração e cimentação de poços em camada de sal que engloba tanto o
processo de endurecimento do cimento, quanto a resposta de fluência da
camada de sal. O objetivo desta tese é analisar o comportamento geomecânico
de fluência (creep) na zona de sal antes, durante e depois da perfuração e em
seguida na cimentação do poço. Desta forma, a pesquisa tem como meta a
avaliação das tensões e deslocamentos ao redor do poço, através da simulação
computacional com ajuda do programa comercial numérico de elementos finitos
(ABAQUS), além de sub-rotinas do programa FORTRAN. Com esta análise,
pretende-se entender os efeitos geomecânicos de interação da pressão exercida
pelo fluido de perfuração e do cimento e do comportamento nas tensões na
fronteira sal-cimento e cimento-revestimento, dentre outros, para evitar possíveis
intervenções em poços que acarretam perdas econômicas. Foram realizadas
diversas simulações, destacando-se: (i) estado de tensões in situ antes da
perfuração do poço; (ii) tensões induzidas devido à perfuração e à fluência no sal
e (iii) cimentação no poço. Nestas simulações considerou-se um poço de
petróleo em 2D no estado de deformação plana. O fluido de perfuração foi
simulado como não penetrante. Os resultados obtidos das simulações
correspondem aos deslocamentos radiais e tensões radiais e tangenciais. / [en] In this dissertation, an analysis procedure was established for the drilling
and casing cementing process in salt wellbores, which encompasses cement
hardening as well as salt creep. The objective of this dissertation is to analyze the
geomechanical behavior of salt creep before, during and after drilling as well as
the wellbore casing cementing process. Thus, the purpose of this study is to
evaluate stresses and displacements around the wellbore through computational
simulation with the finite element commercial software program Abaqus together
with FORTRAN sub-routines. This analysis intends to understand the
geomechanical effects of the interaction of the drilling fluid and slurry pressures
against the wellbore and the behavior of the stress interactions between the two
existing boundaries casing-cement and cement-salt formation; thus avoiding
unnecessary workover operations that provoke economical losses. Diverse
process simulations were performed including: (i) in situ stresses prior to drilling
(ii) induced stresses due to drilling and salt creep and (iii) wellbore cementing. In
these simulations, a 2D plane strain wellbore was considered. The drilling fluid
was assumed to be non-penetrable with respect to the wellbore formation.
Finally, the results were expressed in terms of radial displacement along with
radial and tangential stresses.
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[en] A TWO-SCALE MODEL FOR COUPLED ELECTRO-CHEMO-MECHANICAL PHENOMENA IN EXPANSIVE POLYMERS SENSITIVE TO PH AND SALINITY / [pt] MODELAGEM EM DUAS ESCALAS DO ACOPLAMENTO DE FENÔMENOS ELETRO-QUÍMICO-MECÂNICOS EM POLÍMEROS EXPANSIVOS SENSÍVEIS A PH E SALINIDADERANENA VERONICA PONCE FLORES 09 June 2011 (has links)
[pt] Nas últimas décadas, tem se desenvolvido um crescente interesse em polímeros de
troca iônica capazes de responder a diversos estímulos externos, sendo utilizados
nos mais variados campos da ciência como sensores, transdutores e atuadores. Este
tipo de materiais em contato com soluções aquosas sofrem deformações decorrentes
de mudanças de campos magnéticos, temperatura, pH, campos elétricos e/ou força
iônica. Sendo o pH um dos parâmetros operacionais críticos no controle de diferentes
processos químicos, os polímeros sensíveis a pH constituem uma alternativa
promissora em diversas áreas de pesquisa, e de particular interesse neste trabalho;
na área de monitoramento do pH aplicado à industria do petróleo. O grande potencial
e funcionabilidade deste tipo de polímeros tem despertado a necessidade de
estudar e entender seu comportamento através de modelos matemáticos. O objetivo
deste trabalho é desenvolver um modelo químico-eletro-mecânico para o estudo do
inchamento de uma resina de troca iônica em equilíbrio com uma solução aquosa
eletrolítica, como função das mudanças do pH e concentração salina da solução.
Com o intuito de determinar parâmetros inerentes ao equilíbrio químico associados
à densidade de carga elétrica superficial da resina, foram conduzidos ensaios
de titulação potenciométrica bem como medidas de inchamento para três concentrações de NaCl. Objetivando investigar a microestrutura e composição do polímero
foram realizados ensaios de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia
de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIV). A modelagem
matemática foi desenvolvida em duas escalas (micro-macro) adotando a técnica
de homogeneização de estruturas periódicas. Para a modelagem do inchamento
da resina foi assumida a hipótese de material linearmente elástico, incorporando
os fenômenos eletro-osmóticos na escala local mediante a solução do problema de
Poisson-Boltzmann e do balanço de momento linear no fluido. O sistema de equações
não lineares postos na escala macroscópica foi discretizado através do Método de
Elementos Finitos (Galerkin) e resolvido em forma acoplada mediante o método
de Newton-Raphson. Os resultados teóricos mostram a existência de dois regimes
de inchamento na resina: um regime dominado pela densidade de carga elétrica na
superfície do sólido e um segundo regime onde o inchamento da resina é puramente
governado pela força iônica da solução eletrolítica. / [en] In the last few decades, the interest in ion exchange polymers that are able to respond
under several external stimuli has grown; these polymers are being used in
the most diverse fields of science such as sensors, transducers and actuators. This
type of material, when in contact with aqueous solutions, undergoes deformations
caused by changes in magnetic fields, temperature, pH, electrical fields and/or ionic
strength. Since the pH is a critical operating parameter in the control of different
chemical processes, pH sensitive polymers have become a promising alternative in
several areas of research and of particular interest in this work in the area of pH monitoring
applied to the oil industry. The great potential and functionality of this type
of polymers has increased the need to study and understand their behavior through
mathematical models. The purpose of this study was to develop a chemo-electromechanical
model to study the swelling of an ion exchange resin in equilibrium with
an electrolyte solution, as a function of changes in pH and saline concentration of the
solution. In order to determine parameters related to the chemical equilibrium associated
with the surface electric charge density of resin, potentiometric titrations as
well as measures of swelling for three NaCl concentrations were developed. Aiming
to investigate the microstructure and composition of the polymer, Scanning Electron
Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) tests
were performed. The mathematical modeling was developed in two scales (micromacro)
adopting the homogenization technique of periodic structures. For modeling
the swelling of the resin, the hypothesis of linear elastic material was assumed, incorporating
the electroosmotic phenomena in the local scale through the solution to
the Poisson-Boltzmann problem and the balance of linear momentum in the fluid.
The system of nonlinear equations placed in the macroscopic scale was discretized
through the Finite Element Method (Galerkin) and the coupled equations solved
with the method of Newton-Raphson. The theoretical results show the presence of
two swelling regimes in the resin: a regime controlled by the charge density on the
surface of the solid and a secondary regime where the swelling of the resin is purely
governed by the ionic strength of the electrolyte solution.
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[en] NUMERICAL ANALYSIS OF THE BEHAVIOR OF FLAT SLABS PRESTRESSED CONCRETE FLOORS / [pt] ANÁLISE NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO DE PAVIMENTOS CONSTITUÍDOS DE LAJES LISAS DE CONCRETO PROTENDIDOMARIA VANESSA LA TORRE CUBAS 26 September 2012 (has links)
[pt] Lajes lisas de concreto protendido com cordoalhas engraxadas não aderentes têm sido empregadas em pavimentos de edificações com frequência nos últimos anos. Essa solução estrutural é ideal quando se tem uma distribuição regular dos pilares. Além disso, sabe-se que lajes de concreto protendido oferecem vantagens técnicas sobre a solução tradicional em concreto armado, principalmente para vencer vãos maiores e onde muitas vezes se exigem seções mais esbeltas. O objetivo desta dissertação é estabelecer critérios práticos para o projeto de lajes lisas protendidas, maciças ou nervuradas, visando ao atendimento dos critérios relativos ao estado limite de utilização. Com este propósito, um estudo paramétrico foi realizado no qual foram analisados as tensões nas regiões de introdução das forças de protensão e a influência da rigidez dos pilares na retenção da protensão. A investigação foi conduzida por meio de modelagens em elementos finitos, empregando elementos do tipo casca para as lajes e elementos tipo viga para os pilares. No caso das lajes nervuradas, suas mesas foram representadas por elementos casca e as nervuras por elementos viga levando em conta a excentricidade entre seus centros geométricos. / [en] Concrete flat slabs prestressed with unbounded greased strands have been used in building floors over the last years. This structural solution is ideal when the columns are regularly distributed. In addition, it is known that prestressed floors have some technical advantages when compared to the traditional solution in reinforced concrete, mainly in cases of large spans and when lighter elements are required. The objective of the present work is to propose practical criteria for the design of flat slab prestressed concrete floors, for the cases of uniform thickness slabs and waffle slabs, aiming at complying with serviceability limit state. A parametric study was carried out to analyze the stress distribution in prestressing load introduction zones and the influence of the columns in retaining prestressing loads. The investigation was conducted using finite element models in which shell and frame elements were used to represent the slabs and the columns. For the case of waffle slabs, flanges and webs were modeled with shell and frame elements, respectively, taking into consideration the eccentricity between these two elements.
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[en] NUMERICAL MODELLING OF TWO-PHASE FLOW AND CONTAMINANT TRANSPORT IN HETEROGENEOUS MEDIA / [pt] MODELAGEM NUMÉRICA DE FLUXO BIFÁSICO E TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EM MEIOS POROSOSFABRICIO FERNANDEZ 18 April 2018 (has links)
[pt] O objetivo deste trabalho é ser uma contribuição ao entendimento dos mecanismos envolvidos na migração por gravidade dos compostos orgânicos chamados de DNAPLs, quando eles são liberados em meios porosos e em meios porosos fraturados, para aportar ao desenvolvimento de tecnologias efetivas orientadas principalmente à localização e à remediação do sistema subterrâneo contaminado. Primeiramente são apresentados os conceitos elementares envolvidos nos modelos matemáticos que descrevem o fluxo bifásico em meios porosos, o processo de modelagem de um problema geral da natureza, os modelos
conceituais, os matemáticos e os numéricos, e a aplicabilidade dos modelos conceituais conforme a considerações de escala. Em segundo lugar, são desenvolvidas as equações matemáticas que governam os fenômenos em estudo e são apresentadas as soluções às equações governantes a partir de técnicas
computacionais e esquemas de integração numérica. As equações do fluxo bifásico são resolvidas mediante técnicas de elementos finitos mistos hibridizados (EFHM) e elementos finitos descontínuos (GD), e as equações do transporte de contaminantes são resolvidas mediante a técnica dos elementos finitos
convencionais (EF). Seguidamente são avaliados numericamente problemas de transporte de contaminantes em 1D e 2D, problemas de transporte de contaminantes com transferência de massa, problemas de fluxo bifásico em 2D, e problemas acoplados envolvendo tanto fluxo bifásico como transporte de contaminantes com transferência de massa. Finalmente, são apresentadas as conclusões do trabalho desenvolvido bem como sugestões para trabalhos futuros. / [en] The objective of this work is to contribute to the understanding of the mechanisms involved in the gravity migration of organic compounds, called DNAPLs, when they are released in a porous media and in a fractured porous media, and to contribute to the development of effective technologies mainly oriented to the location and remediation of contaminated underground system. Firstly, some basic concepts are presented, especially those involved in the mathematical models that describe the two-phase flow in porous media, the conceptual models, the mathematical models, as well as the numerical models. Secondly, the mathematical equations that govern the phenomena under study are developed and the solutions to the governing equations from computational techniques and numerical integration schemes are presented. The biphasic flow equations are solved using mixed and hybridized finite element techniques (EFHM) and discontinuous finite element (GD), and the contaminant transport equations are solved by the conventional technique of finite element (FE). Then, some problems are numerically evaluated in 1D and 2D, such as transport of contaminants with and without mass transfer, two-phase flow problems in 2D, and attached problems involving both biphasic flow and contaminant transport with mass transfer. Finally, the conclusions of this thesis as well as the suggestions for future works are presented.
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[en] FORMULATION OF GRADIENT ELASTICITY FOR HYBRID BOUNDARY METHODS / [pt] FORMULAÇÕES DE ELASTICIDADE GRADIENTE PARA ELEMENTOS HÍBRIDOS DE CONTORNODANIEL HUAMAN MOSQUEIRA 13 February 2009 (has links)
[pt] A modelagem matemática de microdispositivos, em que estrutura e
microestrutura têm aproximadamente a mesma escala de
magnitude, assim como de
macroestruturas de natureza predominantemente granular ou
cristalina, requer uma
abordagem não-local de deformações e tensões. Há mais de cem
anos os irmãos
Cosserat já tinham desenvolvido uma teoria de grãos rígidos.
No entanto, e sem
detrimento de desenvolvimentos devidos a Toupin e outros
pesquisadores, os
trabalhos de Mindlin na década de 1960 podem ser
considerados a base da chamada
teoria gradiente de deformações, que se tornou recentemente
objeto de um grande
número de investigações analíticas e experimentais,
motivadas pelo
desenvolvimento de novos materiais estruturais e do
crescente uso de dispositivos
micro- e nanomecânicos na indústria. Mais recentemente,
Aifantis e colaboradores
conseguiram desenvolver uma teoria gradiente de deformações
mais simplificada,
com base somente em duas constantes elásticas adicionais,
representativas de
comprimentos característicos relacionados às energias de
deformação superficial e
volumétrica. Uma série de trabalhos recentes desenvolvidos
por Beskos e
colaboradores estendeu o campo de aplicações da proposta
inicial de Aifantis e
introduziu uma solução fundamental que de fato remonta aos
trabalhos de Mindlin.
A equipe de pesquisa de Beskos propôs as primeiras
implementações 2D e 3D de
elementos de contorno para análises de elasticidade
gradiente tanto estáticas quanto
no domínio da freqüência, inclusive para problemas da
mecânica da fratura. Desde o
tempo de Toupin e Mindlin procura-se estabelecer uma base
variacional da teoria e
uma formulação consistente das condições de contorno
cinemáticas e de equilíbrio,
o que parece ter tido êxito com os recentes trabalhos de
Amanatidou e Aravas. Esta
dissertação faz uma revisão da teoria gradiente da
deformações e apresenta um
estudo didático do problema mais simples que se possa
conceber, que é o de uma
barra sob diferentes tipos de ações axiais (Aifantis,
Beskos). A solução fundamental
para problemas 2D e 3D também é apresentada e estudada,
tanto em termos de
forças pontuais aplicadas, para uma implementação em termos
de elementos de
contorno, quanto de desenvolvimentos polinomiais (no caso
estático), para
implementação em termos de elementos finitos. Mostra-se que
a teoria gradiente de
deformação de Aifantis é adequada a uma formulação no
contexto do potencial de
Hellinger-Reissner, o que possibilita implementações
híbridas de elementos finitos e
de contorno. O presente trabalho de pesquisa objetiva o
estudo do estado da arte no
tema, com uma abordagem dos principais problemas de
implementação
computacional, inclusive em termos das integrais singulares
que surgem. O
desenvolvimento completo de programas de análise de
elementos híbridos finitos e
de contorno, para problemas estáticos e dinâmicos, está
planejado para uma tese de
doutorado em futuro próximo. / [en] The mathematical modeling of micro-devices in which
structure and the
microstructure are about the same scale of magnitude, as
well as of macrostructure
of markedly granular or crystal nature (microcomposites),
demands a nonlocal
approach for strains and stresses. More than one hundred
years ago the Cosserat
brothers had already developed a theory for rigid grains.
However, and in no
detriment due to Toupin and other researchers, Mindlin s
work in the 1960s may be
accounted the basis of the so-called strain gradient theory,
which has recently
become the subject of a large number of analytical and
experimental investigations
motivated by the development of news structural materials
together with the
increasing use of micro and nano-mechanical devices in the
industry. More recently,
Aifantis and coworkers managed to develop a simplified
strain gradient theory
based only on two additional elasticity constants that are
representative of material
lengths related to surface and volumetric strain energy. A
series of very recent
works done by Beskos and collaborators extended the field of
applications of
Aifantis propositions and introduced a fundamental solution
that actually remounts
to developments already laid down by Mindlin. Beskos
workgroup may be
regarded as the proponent of the first of the first boundary
element 2D and 3D
implementations on the subject for both statics and
frequency-domain analyses, also
including crack problems. Since Toupin and Mindlin`s time,
investigations have
been under development to establish the variational basis of
the theory and to
consistently formulate equilibrium and kinematic boundary
conditions established
by Amanatidou and Aravas. This dissertation makes a revision
of the gradient strain
elasticity theory and presents a didactic study of the
simplest problem that can be
conceived, i.e., a bar under different axial actions
(Aifantis, Beskos). The
fundamental solution for 2D and 3D problems is also
presented and studied for an
elastic medium submitted to a point force, for boundary
methods developments, as
well as submitted to polynomial stress fields (for static
problems), as in the hybrid
finite element method. It is shown that Aifantis strain
gradient theory may be
developed in the context of the Hellinger-Reissner
potential, for the sake of hybrid
finite and boundary element implementations. Goal of the
present research work is
as a detailed study of state art of the theme, which
comprises an investigation of the
singular integrals one must deal with in a computational
implementation. The
complete computational development for static and dynamic
hybrid boundary/finite
analyses is planned for a future doctoral thesis.
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[en] GEOMETRIC AND NUMERICAL ADAPTATIVITY OF 2D AND 3D FINITE ELEMENT MESHES / [pt] ADAPTATIVIDADE GEOMÉTRICA E NUMÉRICA NA GERAÇÃO DE MALHAS DE ELEMENTOS FINITOS EM 2D E 3DRAFAEL ARAUJO DE SOUSA 20 August 2007 (has links)
[pt] Este trabalho apresenta uma metodologia para geração de
malhas
adaptativas de elementos finitos 2D e 3D usando
modeladores geométricos com
multi-regiões e superfícies paramétricas. A estratégia
adaptativa adotada é
fundamentada no refinamento independente das curvas,
superfícies e sólidos.
Inicialmente as curvas são refinadas, no seu espaço
paramétrico, usando uma
técnica de partição binária da curva (binary-tree). A
discretização das curvas é
usada como dado de entrada para o refinamento das
superfícies. A discretização
destas é realizada no seu espaço paramétrico e utiliza uma
técnica de avanço de
fronteira combinada com uma estrutura de dados do tipo
quadtree para gerar
uma malha não estruturada de superfície. Essas malhas de
superfícies são
usadas como dado de entrada para o refinamento dos
domínios volumétricos. A
discretização volumétrica combina uma estrutura de dados
do tipo octree
juntamente com a técnica de avanço de fronteira para gerar
uma malha sólida
não estruturada de elementos tetraédricos. As estruturas
de dados auxiliares dos
tipos binary-tree, quadtree e octree são utilizadas para
armazenar os tamanhos
característicos dos elementos gerados no refinamento das
curvas, superfícies e
regiões volumétricas. Estes tamanhos característicos são
definidos pela
estimativa de erro numérico associado à malha global do
passo anterior do
processo adaptativo. A estratégia adaptativa é
implementada em dois
modeladores: o MTOOL (2D) e o MG (3D), que são
responsáveis pela criação de
um modelo geométrico, podendo ter, multi-regiões, onde no
caso 3D as curvas e
superfícies são representadas por NURBS. / [en] This work presents a methodology for adaptive generation
of 2D and 3D
finite-element meshes using geometric modeling with multi-
regions and
parametric surfaces. The adaptive strategy adopted in this
methodology is based
on independent refinements of curves, surfaces and solids.
Initially, the model´s
curves are refined using a binary-partition algorithm in
parametric space. The
discratizetion of these curves is used as input for the
refinement of adjacent
surfaces. Surface discretization is also performed in
parametric space and
employs a quadtree-based refinement coupled to an
advancing-front technique
for the generation of an unstructured triangulation. These
surface meshes are
used as input for the refinement adjacent volumetric
domains. Volume
discretization combines an octree refinement with an
advancing-front technique
to generate an unstructural mesh of tetrahedral elements.
In all stages of the
adaptive strategy, the refinement of curves, surface
meshes and solid meshes is
based on estimated numerical errors associated to the mesh
of the previous step
in the adaptive process. In addition, curve and surface
refinement takes into
account metric distortions between parametric and
Cartesian spaces and high
curvatures of the model´s geometric entities. The adaptive
strategies are
implemented in two different modelers: MTOOL (2D) and MG
(3D), which are
responsible for the creation of a geometric model with
multi-regions, where for
case 3D the curves and surfaces are represented by NURBS,
and for the
interactive and automatic finite-element mesh generation
associated to surfaces
and solid regions. Numerical examples of the simulation of
engineering problems
are presented in order to validate the methodology
proposed in this work.
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[en] ENRICHED FINITE ELEMENTS FOR BUCKLING AND VIBRATION OF SHELLS / [pt] ELEMENTOS FINITOS ENRIQUECIDOS PARA FLAMBAGEM E VIBRAÇÃO DE PLACASAMANDA JAREK 24 August 2007 (has links)
[pt] O presente trabalho avalia a utilização de elementos
enriquecidos para obtenção de cargas críticas, freqüências
de vibração e seus respectivos modos de
peças estruturais bidimensionais (flexão de placas
retangulares sujeitas a compressão em seu plano). O método
de aproximação empregado foi o de Rayleigh-Ritz
voltado para o uso de elementos finitos convencionais
enriquecidos com funções
de deslocamentos adicionais internas e de contorno. As
funções ditas internas são
desenvolvidas de forma a não envolver deslocamentos e
rotações nodais e no contorno. Já as funções ditas de
contorno são concebidas de forma a envolver apenas
deslocamentos internos e ao longo de um lado apenas, sem
deslocamentos generalizados nodais. Para este estudo foram
desenvolvidas duas famílias de funções,
uma com termos adicionais trigonométricos e outra com
termos adicionais polinomiais. Para o cálculo de cargas
críticas e freqüências são utilizadas as matrizes
de rigidez elástica, rigidez geométrica e de massa,
introduzidas em problemas
generalizados de autovalores. Resultados numéricos são
obtidos através de procedimentos computacionais utilizando
o software Maple. Verifica-se que as funções
adicionais trigonométricas, embora mais satisfatórias que
as polinomiais quanto à
convergência, exigem maior esforço computacional. São
comparados resultados de
elementos para placas esbeltas (teoria de Kirchhoff), com
três e quatro graus de
liberdade por nó, onde o quarto grau de liberdade
corresponde à derivada mista
(torção). Mostra-se que as funções adicionais, não-nodais,
requerem o uso do elemento com quatro graus de liberdade
por nó, para se ter convergência no cálculo
das cargas críticas e freqüências em situações gerais.
Outros exemplos abordam
preliminarmente a inclusão de efeitos de dano e ortotropia
no material, visando
a modelagem de lajes comprimidas e pilares com seções
retangulares alongadas.
Esta modelagem envolvendo combinação de funções adicionais
gerais e elementos
convencionais representa um passo no desenvolvimento de
uma técnica aplicável
à combinação de modos globais e localizados de
instabilidade / [en] The focus of the present work is to developand evaluate
enriched elements
used to obtain critical loads, frequencies of vibration
and respective modes for
two-dimensional structural components (rectangular plates
in bending under inplane compressive loading). The
Rayleigh-Ritz approximation method has been
employed, directed to the use of conventional finite
elements enriched by internal
and boundary additional displacements functions. The
socalled internal functions are do not involve nodal and
boundary displacements and rotations. The
boundary functions are conceived to include displacements
within the element
and along one side, without involving any generalized
nodal displacements. Two
displacement function families were developed, the first
with trigonometric additional terms and the second with
polynomial additional terms. Critical loads
and frequencies, and respective modes, are obtained by the
use of elastic stifiness,
geometric, and mass matrices, introduced in generalized
eigenvalue problems. Numerical results are obtained by
computational procedures using Maple software.
The trigonometric additional functions, in spite of better
convergence properties,
demand greater computational effort. The basic elements
are classical thin plate
elements (Kirchhoff's theory) with three or four degrees
of freedom per node,
where the fourth degree of freedom corresponds to the
mixed derivative (torsion). The results indicate that non-
nodal additional functions require the use of
elements with four freedom degrees by node to obtain
convergence of critical loads
and frequencies convergence in general situations. Other
examples consist of preliminary approaches to include
damage effects, in reinforced orthotropic plates,
as modeling columns with wide rectangular sections and
compressed slabs. The
use of general additional functions combined with
conventional elements represents a step on the development
of a technique applicable to global and localized
instability modes.
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[en] NUMERICAL IMPLEMENTATION OF ACOPPLING SURFACE WATER: GROUNDWATER / [pt] UMA IMPLEMENTAÇÃO NUMÉRICA DO ACOPLAMENTO ÁGUA SUPERFICIAL: ÁGUA SUBTERRÂNEAJOAO PAULO CASTAGNOLI 14 December 2007 (has links)
[pt] A relação entre os processos hidrológicos de escoamento
superficial e
subterrâneo apresenta uma grande variabilidade espacial
e
temporal. Podendo
ser representado de forma qualitativa como parte
sequêncial do ciclo
hidrológico, estes processos, demostram sua grande
dependência e
importância nos estudos de balanços hídricos. Visando
uma
representação
quantitativa, este trabalho faz o acoplamento, entre os
modelos numéricos de
escoamento superficial e de fluxo em meios porosos. Para
o
meio poroso
adotou-se o modelo numérico SWMS_3D (Simunek et al,
1995),
o qual resolve
a equação de Richards, para fluxo em meios porosos
saturados e não
saturados nas três dimensões. Na simulação da dinâmica
superficial, foram
desenvolvidos dois modelos derivados das equações de
Saint-
Venant: o
modelo da Onda Cinemática e o modelo de Difusão. Para a
solução numérica
foi empregado o método dos elementos finitos através da
formulaçao de
Galerkin, adotando uma malha tridimensional de elementos
tetraédricos,
formando uma sub-malha de elementos triangulares na
superfície. O modelo
de escoamento superficial emprega a malha triangular e
interage com o
programa SWMS_3D modificado (que utiliza a malha de
tetraédros) através
das imposições das condições de contorno transientes.
Este, responderá com
uma parcela de fluxo correspondente à recarga ou
descarga
no contorno a
cada passo de tempo. Com isso, o modelo gerado é capaz
de
quantificar
espacialmente e temporalmente as cargas de pressão em
todos os pontos do
domínio de estudo. / [en] While analyzing the interaction between the hydrological
processes of
surface and groundwater flow, it is seen that there is a
big difference in its
interaction in the space and time. These processes can be
represented in a
qualitative form as part of the hydrological cycle,
demonstrating its
dependences and importance in the hydrological balance.
This work does the
numerical coupling of the surface and groundwater flow.
This work adopted the
SWMS_3D numerical model (Simunek et. al., 1995), which
resolves the
Richards equation for saturated and non saturated porous
media flow in 3D. In
order to simulate the superficial dynamic flow, two models
from Saint-Vennat
equation were developed, these models are: the cinematic
wave model and the
diffusion model. These two models consider the average
outflow in sections in a
2D scenario. For the numerical solution the finite element
method was adopted
through the Galerkin formulation. Adopting a 3D domain
mesh of tetrahedral
elements, seen from above, in 2D, we can see a triangular
element mesh. The
superficial flow model uses the triangular mesh and
iterates with the SWMS_3D
modified software, which uses the tetrahedral elements
mesh. This was done
by changes in the boundary conditions to the models. The
SWMS_3D will
answer with a flow portion corresponding to a sink or
source action in the
surface, in each time step. Finally the generated model is
able to quantify in
space and in time the pressure head in the study domain.
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[en] EVALUATION OF REFINED MODELS FOR INSTABILITY AND VIBRATION OF TWO-DIMENSIONAL STRUCTURE / [pt] AVALIAÇÃO DE MODELOS REFINADOS PARA INSTABILIDADE E VIBRAÇÕES DE ESTRUTURAS BIDIMENSIONAISELAINE CRISTINA RODRIGUES PONTE 19 February 2008 (has links)
[pt] Este trabalho consiste em desenvolver e avaliar modelos
clássicos de
elementos finitos combinados com funções polinomiais
adicionais, para a
obtenção de cargas críticas de instabilidade e freqüências
naturais de estruturas
planas, com seus respectivos modos. O objetivo consiste em
buscar uma
sistemática confiável para obter estimativas de
deformações localizadas em
regime próximo ao colapso. Utiliza-se o método dos
Elementos Finitos em
combinação com o método clássico de Rayleigh-Ritz. Como
elemento
fundamental para tal estudo, emprega-se o elemento
retangular de Barber-Weaver,
que contém quatro nós, cada nó com duas translações e duas
rotações
independentes (equivalentes a uma rotação e uma distorção
angular). Esse
elemento é enriquecido com funções de deslocamentos
adicionais internas e de
contorno, em forma de séries polinomiais gerais. Esse
conjunto de funções é
incorporado nas expressões de energia para levar ao
estabelecimento de matrizes
de rigidez elástica, geométrica e de massa. Tais matrizes
permitem estabelecer
problemas generalizados de autovalor para obtenção de
cargas críticas e
freqüências, e respectivos modos de flambagem e vibração.
Para os estudos
numéricos comparativos apresentados nos exemplos, são
implementadas diversas
rotinas usando o software Maple 9.0. Os resultados mostram
que a metodologia
apresentada pode ser usada no desenvolvimento de uma
técnica aplicável à
obtenção de modos globais e localizados de instabilidade,
quando há a
combinação de efeitos não lineares geométricos e de
material. / [en] This work consists in developing and evaluating classical
of finite element
models combined with additional polynomial functions, to
obtain critical loads of
instability and natural frequencies of plane structures,
and respective modes. The
objective is to search for a reliable technique to get
estimates of localized
deformations near to collapse. The Finite Elements method
is used in combination
with the classic method of Rayleigh-Ritz. As a basic
element for such study, the
rectangular element of Barber-Weaver is used, containing
four nodes, each one
with two translations and two independent rotations
(equivalents to a rotation and
an angular distortion). This element is enriched with
additional internal
displacement functions and with functions on the boundary,
forming general
polynomial series. These nodal functions are incorporated
in the energy
expressions leading to the establishment of elastic
stiffness, geometric, and mass
matrices. Such matrices allow the establishment of
generalized eigenvalue
problems to obtain critical loads and frequencies, and the
respective modes of
buckling and vibration. For the comparative numerical
studies presented in the
examples, several routines are implemented using software
Maple 9.0. The results
show that the methodology presented herein can be used in
the development of an
applicable technique to the ascertainment of instability
in global and located
modes, when there is a combination of geometric nonlinear
and material effects.
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[en] DYNAMIC BEHAVIOR OF BURIED PIPES: METHODOLOGY AND COMPUTATIONAL IMPLEMENTATION / [pt] COMPORTAMENTO DINÂMICO DE DUTOS ENTERRADOS: METODOLOGIA E IMPLEMENTAÇÃO COMPUTACIONALIGOR EDUARDO OTINIANO MEJIA 31 March 2009 (has links)
[pt] Neste trabalho apresenta-se uma metodologia de análise do
comportamento mecânico de dutos enterrados usados no
transporte de gás e outros fluidos sujeitos
a cargas dinâmicas. Em especial são considerados
carregamentos provocados por sismos. Emprega-se uma
modelagem em elementos finitos com base em uma
discretização com elementos especiais de viga para modelar
o duto. Não linearidades geométricas e do material são
consideradas numa formulação Lagrangeana total. As equações
de equilíbrio são formuladas a partir do principio
dos trabalhos virtuais, segundo as componentes de tensão e
deformação no elemento viga-duto. A técnica do Módulo
Reduzido de Integração Direta (RMDI) é empregada na qual se
incorpora o comportamento elasto-plástico do material.
Esta abordagem exclui da análise os efeitos do enrugamento
nas paredes do duto. As matrizes para resolução por
elementos finitos dessas equações são derivadas.
Nessa metodologia os efeitos da interação solo-duto são
incorporados. O solo é modelado através de elementos
bidimensionais considerando um modelo constitutivo Linear-
Equivalente, acoplados ao duto por meio de elementos de
interface localizados entre o duto e o solo. Finalmente são
considerados contornos artificiais amortecidos para
possibilitar a representação do problema através de
um trecho finito. Foram usados para as análises históricos
de acelerações do tipo sismo, entre estes o sismo ocorrido
em Pisco-Perú no ano 2007. Desenvolve-se
um programa para computador segundo a metodologia
apresentada. Finalmente
são estudados alguns exemplos com o objetivo de avaliar
numericamente os resultados da análise obtidos e formular
algumas conclusões sobre o
comportamento de dutos enterrados sujeitos a cargas
dinâmicas. / [en] This work presents a numerical methodology for the analysis
of buried pipes employed by the transport of oil and gas
subject to dynamic loads. Emphasis is given to seismic
loads. A finite element model based on a special class of
beam element for the pipe representation is employed. Both
geometric and material nonlinearities are considered in a
total Lagrangean formulation. The equilibrium
equations are formulated based on the virtual work
principle considering the stress and deformation components
of the beam-pipe element. The Reduced Modulus
Direct Integration (RMDI) technique is employed by which
the elasto-plastic material behavior is incorporated. This
technique excludes from the analysis the
local buckling effects of the pipe walls. The corresponding
finite element matrices for this element are obtained. In
this methodology the effects of the constant
internal pressure as well as the soil-pipe interaction are
included. The soil is modeled through two-dimensional
elements with material behavior described
through a linear equivalent model. Interface elements
couple beam-pipe elements with soil elements and account
for soil-pipe interaction. Finally silent boundary
elements are incorporated to the model to reproduce the
semi-infinite boundary conditions in the finite size model.
Distributed loads are considered constant with
respect to the global axis. Acceleration histories are
applied to simulate seismic dynamic loads among which the
acceleration histories of the earthquake which
occurred in Pisco-Perú in 2007. A finite element computer
code is developed according to the methodology presented.
Some examples are studied with the objective to evaluate
numerically the analysis results and to formulate some
conclusions to the behavior of buried pipes subject to
seismic loads.
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